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 JoVE Bioengineering

Quantitativen Messung In situ Flows mit einem Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

1, 2,3, 3,4, 5

1Applied Ocean Physics and Engineering, Woods Hole Oceanographic Institution, 2Environmental Science and Marine Biology, Roger Williams University, 3Marine Biology Laboratory, Whitman Center, 4Department of Biology, Providence College, 5Departments of Aeronautics and Bioengineering, California Institute of Technology

Article
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    Summary

    Dieses Protokoll enthält Anweisungen, wie man ein sich geschlossenes Unterwasser-Velocimetry Geräten (SCUVA), die für die Quantifizierung der in situ Tier-generated fließt ausgelegt ist zu verwenden. Darüber hinaus behebt dieses Protokoll Herausforderungen Feldbedingungen gestellt und umfasst Betreiber Bewegung, vorherzusagen Position der Tiere und Ausrichtung der SCUVA.

    Date Published: 10/31/2011, Issue 56; doi: 10.3791/2615

    Cite this Article

    Katija, K., Colin, S. P., Costello, J. H., Dabiri, J. O. Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA). J. Vis. Exp. (56), e2615, doi:10.3791/2615 (2011).

    Abstract

    Die Möglichkeit, direkt zu messen Geschwindigkeit Felder in einer flüssigen Umgebung ist notwendig, um empirische Daten für Studien in so unterschiedlichen Bereichen wie Ozeanographie, Ökologie, Biologie und Strömungsmechanik bieten. Feldmessungen einführen praktische Herausforderungen wie Umwelt-Bedingungen, Tier-Verfügbarkeit und die Notwendigkeit für Feld-kompatiblen Messverfahren. Zur Vermeidung dieser Herausforderungen, Wissenschaftler verwenden in der Regel kontrolliert Laborumgebungen zu Tier-Fluid-Interaktionen zu untersuchen. Allerdings ist es vernünftig zu fragen, ob man das natürliche Verhalten zu extrapolieren (dh, das, was geschieht im Feld) aus Labormessungen. Daher sind in situ quantitative Durchflussmessungen notwendig, um genau zu beschreiben Tier schwimmen in ihrer natürlichen Umgebung.

    Wir haben eine in sich geschlossene, tragbares Gerät, das unabhängig von einer Anbindung an die Oberfläche arbeitet, und können quantitative Messungen des Strömungsfeldes surrou bietennden ein Tier. Dieses Gerät, ein in sich geschlossenes Unterwasser-Velocimetry Geräten (SCUVA), kann von einem einzigen Taucher in Tiefen betrieben werden bis zu 40 m. Durch die zusätzliche Komplexität innewohnt der Feldbedingungen, weitere Überlegungen und Vorbereitungen sind erforderlich, wenn auf Labormessungen verglichen. Diese Überlegungen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Betreiber Motion Limited, Vorhersage Position des Schwimmens Ziele verfügbaren natürlichen Schwebstaub und Ausrichtung von SCUVA in Bezug auf den Fluss von Interesse. Das folgende Protokoll soll diese gemeinsame Feld Herausforderungen zu bewältigen und die Messung Erfolg zu maximieren.

    Protocol

    1. Zu Beginn dieses Verfahren stellen wir sicher, dass alle SCUVA Komponenten ausreichend mit Batteriestrom versorgt, Tonband (für die High-Definition-oder HD-Video-Kamera), und die Funktion haben, richtig. Je nach fließt gemessen werden soll, wählen Sie Video-Kamera-Auflösung und Bildraten, die besten Ergebnisse für den digitalen Particle Image Velocimetry (DPIV) zu ergeben. 1,2
    2. Bereiten Sie den Laser und Kamera-Gehäuse für die Nutzung durch die Reinigung der O-Ring-Nuten und O-Ringe mit einem sauberen Handtuch oder wischen. Spread-Hersteller mitgelieferten O-Ring Fett gleichmäßig auf die O-Ringe und ersetzen Sie sie in das Gehäuse Nuten. Darüber hinaus reinigen Sie die Laser und Kamera-Gehäuse Öffnungen auf Laser-Blatt Verformung und Markierungen auf dem Kameragehäuse Linse zu verhindern.
    3. Überprüfen Sie den O-Ring-Dichtungen, indem beide leer Gehäuse in einer Wanne voll Wasser. Gewichtete Objekte müssen auf der Oberseite des Gehäuse zu versenken sie gestellt werden, da die Gehäuse leer zu schweben. Nach 5 bis 10 Minuten, entfernen Sie das Gehäuse aus der Wanne und abtrocknen ter draußen. Prüfen Sie, ob es keine Feuchtigkeit in den Gehäusen. Sehen Sie sich auch mit Einweg-, Papier Feuchtigkeit Streifen während der Druckprüfung, um anzuzeigen, ob es Feuchtigkeit im Gehäuse nach dem Test.
    4. Nach den Gehäusen der Druck Test bestehen, platzieren SCUVA Komponenten im Inneren der Gehäuse.
    5. Bringen Sie Hochdruckentladungslampen (HID) Licht Schoten mit dem Kameragehäuse. Stellen Sie sicher, dass die Lichter so ausgerichtet, dass sie den Bereich direkt vor der Kamera und Operator beleuchten sind, und nicht mit der Aufrechterhaltung der Griff Griffe und Bedienung der Kamera steuert stören.
    6. In einer dunklen Umgebung, sicherzustellen, dass der Laserstrahl korrekt ausgerichtet ist bezogen auf die optische Linse im Laser-Gehäuse eingebaut. Wenn richtig ausgerichtet, wird der Laser / Objektiv-Kombination eine vertikale Platte des Lichts, das senkrecht zur Kameragehäuse ist. Aus Sicherheitsgründen verwenden Sie einen temperaturempfindlichen Blatt Papier, um Laser-Blatt-Ausrichtung zu bestimmen. Mit SCUVA Anlagen und die starren, ausfahrbaren Arm, schließen Sie den Laser-Gehäuse und die Kamera-Gehäuse zueinander. Stellen Sie sicher, dass das Gehäuse fest verbunden sind und dass das Gehäuse nicht in Bezug zueinander drehen. Es ist wichtig, dass die Laser-Folie orientiert bleibt senkrecht zur Kamera Sichtfeld während der Messung.
    7. Aufgrund der derzeitigen Fähigkeiten von SCUVA, kann die Messung Tauchgänge nur in low-light Orten oder nachts durchgeführt werden, um natürliches Licht Interferenzen mit dem Laser-Blatt zu verhindern. Daher empfehlen wir warten, bis der Dämmerung oder später vor dem Eintritt in das Wasser.
    8. Schalten Sie die Kamera-Gehäuse, bevor Sie ins Wasser gehen. Das Kameragehäuse hat einen eingebauten elektronischen Feuchtigkeitssensor, dass die visuelle Warnungen bietet (blinkende LED) im Falle von Feuchtigkeit in das Kameragehäuse. Der Sensor funktioniert nur, wenn das Kameragehäuse auf.
    9. Tauchen SCUVA in Wasser und befestigen Sie das Gerät, um sich miteiner Linie. Sobald der Apparat befestigt, lassen SCUVA den Auftrieb Eigenschaften des Gerätes bestimmen. Je nach Auftriebscharakteristik legen Auftriebsschaum oder Bleigewichte an einem oder beiden Gehäusen neutralen Auftrieb zu gewährleisten und zu verhindern Drehung der Apparatur im Wasser.
    10. Als nächstes auf der Laser-Schalter und halten Sie das Gerät stationär. Positionieren Sie den Laser mit dem ausfahrbaren Arm hinreichend weit von dem Taucher, Messung von diver-induzierte Ströme zu minimieren. Alle Messungen der Taucher-induzierte Ströme in der Nähe des Ziels vorstellen Fehler und sind nicht für die anschließende Analyse verwendet. Stellen Sie die Kamera-Zoom, bis das Sichtfeld Rahmen der Ziel-und umgebende Flüssigkeit.
    11. Halten Sie die Geräte stationär, Fokus der Videokamera auf der Laser-Blatt bis alle Partikel scharf erscheinen und im Fokus. Sobald der Laser Blechebene im Fokus ist, schalten Sie die Kamera auf manuellen Fokus-Modus. Dies wird die Kamera vom Neuausrichtung auf alle Objekte, die im Bereich der anscheinend verhindernBlick während der Messung, was zu unscharfen Partikel in der Laser-Blatt.
    12. Zur Kalibrierung SCUVA, platzieren Sie ein Objekt mit bekannten Abmessungen in der Laser-Blatt in der Video-Kamera Sichtfeld. Rekord für mehrere Sekunden. Nach dem Tauchgang wird ein Bild aus dieser Videosequenz extrahiert werden, um eine Kalibrierung Konstante, die die Bildfeldgröße Konvertiten aus Einheiten der Pixel cm zu bestimmen. Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt den Betreiber stellt die Bildfeldgröße re-positionieren Sie den ausfahrbaren Arm oder das Ändern der Kamera-Zoom während des Tauchgangs werden, wird die Schritte 12 und 13 müssen wiederholt werden.
    13. Beginnen Sie den Tauchgang mit dem Abstieg der Arbeitstiefe. Auf der Suche nach einem Ziel, müssen die ökologischen bulk Fließeigenschaften bestimmt werden. Falls vorhanden, wird die aktuelle Richtung zu diktieren Apparate und Taucher Positionierung im Verhältnis zu der während der Messungen. Die Richtung der Bulk-flow um das Ziel kann durch die Beobachtung Blasen ausgeatmete aus dem Taucher und betonte deren seitliche Bewegung abgeleitet werden. InZusätzlich zu blasen, kann eine kleine Menge an Fluoreszenzfarbstoff (dh Fluorescein) veröffentlicht, um die aktuelle Richtung zu bestimmen. Da Taucher-generated Flow eine Quelle der DPIV Messfehler werden können, sollte der Taucher nicht vor dem Ziel liegen. Darüber hinaus sollten die Laser-Folie parallel zur Richtung des Stroms positioniert werden, um Partikel Verweilzeit innerhalb des Laser-Blatt zu maximieren und minimiert dadurch DPIV Fehler. Allerdings, wenn kein Strom-oder Bulk-flow vorhanden ist, werden Taucher und SCUVA Positionierung relativ zum Ziel uneingeschränkt.
    14. Position SCUVA zu beleuchten und notieren Sie die fließenden Bewegung um ein Ziel. Wenn Sie versuchen, den Fluss umgebenden ein bewegliches Ziel Rekordergebnis für das erste Vorhersage der Lage des Ziels, und dann Position SCUVA, um die vorhergesagte Position, während verbleibenden regungslos. Da das Ziel bewegt sich durch die Kamera Sichtfeld, beginnt die Aufnahme. Wenn das Ziel unbeweglich Rahmen der Ziel-und umgebende Flüssigkeit in die Videokamera &# X2019; s Blickfeld und beginnt die Aufnahme, während verbleibenden regungslos. Der Betreiber sollte von Rotations-und out-of-plane Bewegungen während der Videoaufnahme, da diese Bewegungen führen zu fehlerhaften DPIV Ergebnisse zu unterlassen. Daher Messungen während Rotations-und out-of-plane diver Bewegungen werden nicht für die weitere Datenanalyse verwendet werden gesammelt.
    15. Sobald Video-Sammlung abgeschlossen ist, schalten Sie alle Komponenten des SCUVA und Wiederherstellen der Laserarm seiner zurückgezogenen Position. Entfernen SCUVA aus dem Wasser und lösen Sie die Kamera-und Laser-Gehäusen aus dem Arm. Behandeln Sie den Apparat in frischem Wasser vor dem Trocknen zu verhindern Rostbildung an den Apparat. Sobald das Gehäuse getrocknet sind, entfernen Sie Komponenten aus dem Gehäuse, und laden Sie und ersetzen Sie die Batterien, wenn für einen weiteren Tauchgang nötig.
    16. Verbinden Sie die Video-Kamera an einen Computer und extrahieren Video von der HD-Band mit einem HD-Video-Software-Paket (dh, Adobe Premiere Pro oder iMovie). Nach dem Video extrahiert wird, bestimmen den Bereich derVideo in einer Reihe von Bildern für DPIV Analyse umgewandelt werden. Stellen Sie sicher, dass die Pixel-Seitenverhältnis und extrahiert Bildgrößen der HD-Video-Einstellungen übereinstimmen.
    17. Diese Bilder sind eine DPIV Textverarbeitungsprogramm (z. B. Davis oder MatPIV) importiert. Nach Auswahl des richtigen Kalibrierung konstant und Bilderfassung Parameter, die aus der DPIV Software-Paket dazu aufgefordert werden, kann die Geschwindigkeit Felder aus aufeinanderfolgenden Teilchen Bilder erzeugt werden. Zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, je nach Qualität und Art der Messungen, kann auch angewendet werden. Werden 3

    Repräsentative Ergebnisse:

    Wenn das Protokoll korrekt ausgeführt wird, wird das Teilchen Bilder rund um das Ziel scharf und leicht zu unterscheiden. Mit dem Partikel-Felder in situ durch SCUVA die Videokamera (Abbildung 1A) und einem DPIV-Software-Paket, Geschwindigkeits-feldern der Strömung um das Ziel (Abbildung 1B) erfasst wird enthüllt werden. Vektoren in der Velocity Feld deuten auf Größe und Richtung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit. Wenn genügend Video wird gesammelt, um eine Zeitreihe von Bildern bieten, können eine Zeitreihe der Geschwindigkeit Felder bestimmt werden.

    Abbildung 1
    Abbildung 1 in situ Partikel-Felder (A) um Aurelia labiata gemessen. Entsprechende Geschwindigkeitsfeld (B) mit gelben Vektoren anzeigt, Fließrichtung und Größenordnung.

    Abbildung 2
    Abbildung 2 In-situ-Partikel-Felder um Mastigias sp. Und Solmissus sp. (A bzw. B). Roter Pfeil in A zeigt einen Bereich hoher Reflektivität, die in die Sättigung des Bildes Ergebnisse, so dass es schwierig ist, zwischen Partikel und das Ziel zu unterscheiden. Roter Pfeil in B zeigt eine Region von Schlieren, die entsteht, wenn der Durchflussnicht mit einer ausreichend hohen Frequenz abgetastet.

    Discussion

    Eine mögliche Einschränkung im Bereich ist der Bedarf an Partikeln in der Strömung, die erforderlich sind, um digitale Particle Image Velocimetry (DPIV) umzusetzen sind. In Küstengewässern, zeigt Schwebstaub in der Größenordnung von 10 &mgr; m im Durchmesser und Konzentrationen zwischen 0,002 und 10 pro mm 3. 4 Weitere Studien mit einer Tauchpumpe holocamera für Teilchennachweis bestätigen ausreichende Vorhandensein von Seeding Partikel DPIV in Meerwasser führen. 5 Während offene Meer und Küste Meer tauchen, haben wir festgestellt, dass Partikeldichten und Größen sind nicht eine Einschränkung für die Durchführung von in situ DPIV.

    Abgesehen von Partikeldichten und Größen, ist ein weiteres Anliegen relevant DPIV Messungen die Homogenität der Partikel-Konzentrationen.

    Qualitativ, wenn eine Region innerhalb eines Verhörs Fenster hat eine größere Partikel-Konzentrationen als die andere, die Geschwindigkeit Größenordnung von der D erzeugtPIV-Analyse wird für die Region mit höheren Partikelkonzentrationen vorgespannt werden. Daher muss SCUVA Messungen durchgeführt, wo Partikelkonzentration Variabilität ist minimiert werden. Wir fanden thatcle Konzentrationen sind relativ konstant bei Partikelkonzentrationen sind relativ konstant bei Tauchgängen, wo die Taucher in der Mitte der Wassersäule ausgesetzt ist. Allerdings haben Teilchen Felder in benthischen Umgebungen das Potential für Inhomogenität durch Aufwirbelung von Partikeln durch Umwelt-oder Taucher-induzierte Ströme in der Nähe des Meeresbodens. Es ist darauf zu Störungen der Partikel während der Messung in benthischen Umgebungen zu minimieren. Um Wissen der Autoren, hat eine formale Analyse von Fehlern durch inhomogene Partikelkonzentration erzeugten Felder weder in Labor-oder Feldbedingungen durchgeführt worden, und sollte ein Thema für weitere Überlegungen in einer separaten Publikation werden.

    Mehrere verschiedene Aspekte sollten berücksichtigt werden, wenn die Vorbereitung und werdenDurchführung von in situ Experimente mit dem Protokoll. Während der Aufnahme ist der Betreiber angewiesen, stationär bleiben und alles unterlassen, alle out-of-plane-und Drehbewegung. Diese Anforderung wird in der Theorie einfach, aber in der Praxis schwierig, und diese Messungen erfordern erweiterte Tauchfertigkeiten erfolgreich abgeschlossen werden. Out-of-Ebene und Drehbewegungen des Betreibers führen zu fehlerhaften DPIV Daten. Allerdings können in-plane Bewegungen mit in-house Software korrigiert werden. 6 Es an den Betreiber zu Tarierungskontrolle für mehrere Tauchgänge zu üben, bevor mit SCUVA um die Messung zu maximieren wird empfohlen.

    Neben Auftrieb Überlegungen sollte sich der Betreiber des Ziels Fließrichtung. Flows, die out-of-Flugzeug reisen bezogen auf die Laser-Folie wird keine zuverlässigen DPIV Ergebnisse, und der Betreiber sollte orientieren SCUVA, diese Ströme am effektivsten zu erfassen. Darüber hinaus muss die Position des Tauchers in Bezug auf das Ziel sein Selected so zu minimieren, Taucher-induzierte Strom in den Messungen. Diver-Induced Flow stellt Fehler zum Ziel fließen, und Messungen, die Taucher Effekte sind nicht für die weitere Analyse verwendet werden.

    Für den Fall, dass das Ziel eine stark reflektierende Oberfläche hat, wird die Flüssigkeit Region um das Ziel stark beleuchtet werden, wodurch es schwierig wird in der Nähe einzelner Partikel aus der Umgebung Flüssigkeit (Region durch den roten Pfeil, 2A angegeben) zu unterscheiden. Filter oder Polarisatoren können mit dem Laser oder Kamera-Gehäuse hinzugefügt werden, um die Intensität des Laserlichts durch die Video-Kamera-Sensor erfasst zu reduzieren. Wenn dies nicht möglich ist aufgrund logistischer Zwänge und eingeschränkten Zugang zu Ausrüstung, Nachbearbeitung von Bildern mit in-house-Software kann eine ausreichende Korrektur durch Subtraktion von den Bildern der erhöhten Pixelintensitäten in der Nähe des Ziels liefern. Eine weitere Überlegung, dass die Qualität der Daten betrifft DPIV ist, ob Partikel Streifen vorhanden sind. Wenn TeilchenFelder Regionen Schlieren (gekennzeichnet durch den roten Pfeil, Abbildung 2B), ist die Video-Kamera mit einer Bildrate zu niedrig Aufnahme, um diese hohen Geschwindigkeiten zu lösen. Durch die Erhöhung der Bildrate können Partikel Streifen reduziert werden. Dies führt jedoch zu einer Reduktion des Lichts erreicht die Videokamera-Sensor und macht die Partikel Bereich aussehen Dimmer. Wenn die Video-Kamera hat die Fähigkeit, manuell Blende, erhöhen Sie die Blendeneinstellung zu verhindern Dimmen des Teilchens Feld. Die Bestimmung der optimalen Geräteeinstellungen erfordert möglicherweise mehrere Tauchgänge mit SCUVA, bevor erfolgreiche Datenerhebung.

    Disclosures

    Keine Interessenskonflikte erklärt.

    Acknowledgements

    Diese Forschung wird von der National Science Foundation verliehen JOD (OCE-0623475), SPC (OCE-0623534 und 0727544) und JHC (OCE-0727587 und OCE-0623508) unterstützt und durch das Office of Naval Research zur JHC ausgezeichnet ( N000140810654). KK wird durch die Postdoctoral Scholar Program an der Woods Hole Oceanographic Institution, mit der Finanzierung durch die Devonshire-Stiftung zur Verfügung gestellt unterstützt.

    References

    1. Adrian, R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).
    2. Willert, C.E. & Gharib, M. Digital particle image velocimetry. Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).
    3. Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., & Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer, New York (2007).
    4. Agrawal, Y.C. & Pottsmith, H.C. Laser diffraction particle sizing in STRESS. Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).
    5. Katz, J., Donaghay, P.L., Zhang, J., King, S., & Russell, K. Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean. Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).
    6. Katija, K. & Dabiri, J.O. In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA). Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).

    Comments

    1 Comment

    Great Work :-)
    Reply

    Posted by: AnonymousNovember 17, 2011, 8:06 PM

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